EL MEDIO NATURAL I. FSICA, QUMICA Y SU DIDCTICA UN LPIZ
PARCIALMENTE SUMERGIDO EN AGUA SE VE DOBLADO -
REALIZADO POR: NURIA FERNNDEZ RIVERA BEATRIZ FERNNDEZ BURGUILLO
GRUPO B 14 3 B DE EDUCACIN PRIMARIA
NDICE TEMTICOINTRODUCCIN.2NATURALEZA DE LA LUZ: ANLISIS
HISTRICO2TEORA CORPUSCULAR DE LA LUZ.3TEORA ONDULATORIA DE LA
LUZ.4DOBLE NATURALEZA DE LA LUZ..6PROPAGACIN RECTILNEA DE LA
LUZ7NDICE DE REFRACCIN.8REFLEXIN DE LA LUZ.9REFRACCIN DE LA
LUZ.10CONCLUSIN.14BIBLIOGRAFA Y WEBGRAFA.14
UN LPIZ PARCIALMENTE SUMERGIDO EN AGUA SE VE DOBLADO1.
INTRODUCCINEn el siguiente trabajo que se presenta, demostramos el
por qu cuando una persona introduce un objeto dentro de agua, o el
objeto se encuentra dentro de esta se ve quebrado, doblado o en
otra posicin.Nuestro sentido de la vista se basa en la suposicin de
que la luz sigue siempre trayectorias rectas. Cuando nos miramos en
un espejo o cuando observamos el fondo de un ro, nuestros ojos y
nuestro cerebro no perciben que la luz se ha desviado, y
registramos imgenes que son ilusin y no corresponden exactamente a
la realidad.Hemos estudiado y analizado cmo se propaga la luz, cmo
se refleja y refracta, cmo se desva al pasar de un medio a otro, y
los fenmenos relacionados con su dispersin.Para ello ha sido
necesario hacer hincapi en otros contenidos relacionado con esta
temtica para su mejor comprensin, como se demuestra a
continuacin.
2. NATURALEZA DE LA LUZ: ANLISIS HISTRICOAunque ya en el mundo
clsico se conocan algunas propiedades de la propagacin de la luz
por ejemplo, se atribuye a Euclides (siglo III a. C.) el
descubrimiento de las leyes de la reflexin es a partir del siglo
XVII cuando se construyen instrumentos pticos (lentes, telescopio
de Galileo, etc.), se producen las primeras aportaciones de la
ptica, debidas a Snell, Descartes o Fermat, y aparecen las
primeras ideas cientficas sobre la naturaleza de la luz.En su
tratado Dioptrica, publicado en 1637, Ren Descartes (1596 1650)
enuncia su Teora Corpuscular de la Luz, alegando que los cuerpos
luminosos emiten partculas pequeas de luz que se mueven en lnea
recta a gran velocidad.En 1671, Isaac Newton (1642 1727) hace suya
esta teora y la ampla, al explicar fenmenos como la coloracin de
lminas delgadas y la dispersin de la luz.En 1690, Christian Huygens
(1629 1695) establece, en su Trait de la lumire, que la luz tiene
una naturaleza ondulatoria y se propaga por medio de pequeas ondas
longitudinales semejantes a las ondas sonoras. Segn su teora, las
ondas luminosas utilizan como soporte un medio elstico que llena
todo, al que llama ter lumnico.Se establece as una controversia que
va a durar ms de dos siglos y que es probablemente la ms
apasionante de la Historia de la Ciencia.
3. TEORA CORPUSCULAR DE LA LUZDebido al gran prestigio de Newton
y a la sencillez de sus ideas, la Teora Corpuscular cont con el
apoyo de la mayor parte de los cientficos de la poca. Explicaba la
propagacin rectilnea de la luz, la formacin de sombras bien
definidas, la propagacin en el vaco, los fenmenos de reflexin y
refraccin y la existencia de diferentes colores.Segn esta teora,
los corpsculos luminosos, al chocar con la retina del ojo, producen
la visin y, debido a su pequea masa y a su gran velocidad, se
propagan en lnea recta.Los distintos colores de la luz se deben a
la existencia de corpsculos luminosos de diferentes masas. Cada
tipo de corpsculo es responsable de un color.La reflexin se produce
como consecuencia de los choques elsticos de las partculas de la
luz con la superficie de los objetos iluminados. Si no existen
rozamientos, la componente de la velocidad de la partcula tangente
a la superficie del objeto no vara, pero la componente normal a la
superficie se invierte debido a la enorme diferencia de masa entre
las partculas de la luz y el objeto, siendo el ngulo de incidencia
igual al ngulo de reflexin.
En la refraccin, para explicar el cambio de velocidad que tiene
lugar en la superficie de separacin de ambos medios, es necesario
admitir la existencia de fuerzas que actan entre las partculas de
la luz y la materia. Por ejemplo, en las superficies aire-agua o
aire-vidrio, segn Newton, aumenta la componente normal de la
velocidad, mientras que la componente paralela permanece constante.
En consecuencia, la velocidad de la luz debera ser mayor en el
vidrio o en el agua que en el aire.
4. TEORA ONDULATORIA DE LA LUZEl matemtico y astrnomo holands
Christian Huygens, contemporneo de Newton, basndose en los trabajos
previos de Robert Hooke, propone que la luz se compone de minsculas
ondas del mismo tipo que el sonido. Como necesitan un medio
material para propagarse, supone la existencia de un medio ideal,
el ter lumnico, que llena todo, incluso el vaco.Explica las leyes
de la reflexin y de la refraccin de la luz y las interferencias
luminosas. Al explicar la refraccin de la luz llega a una fuerte
discrepancia con la teora corpuscular; por aplicacin del Principio
de Huygens se deduce que la velocidad de la luz es menor en el agua
o en el vidrio que en el aire.Newton rechaz la Teora Ondulatoria de
la Luz al no existir pruebas de su difraccin, ya que si la luz
fuera una onda debera flexionarse bordeando los obstculos, su
trayectoria no sera rectilnea y no existiran zonas ntidas de
sombras. Debido a su gran prestigio y al rechazo dogmtico de sus
discpulos, esta teora fue olvidada durante ms de cien aos, incluso
cuando la propagacin rectilnea de la luz y los fenmenos de
difraccin quedaron plenamente justificados por la pequea longitud
de onda de las ondas luminosas.En el siglo XVIII, J. Bernouilli
sostiene que las oscilaciones de las ondas de luz son peridicas y
pendulares, y L. Euler descubre que el color depende de la
frecuencia de las vibraciones.Sin embargo, es en la primera mitad
del siglo XIX cuando se producen varios hechos que propician el
resurgir de la Teora Ondulatoria. Los experimentos de Thomas Young,
en 1801, sobre interferencias luminosas y los de Agustn Fresnel, en
1815, sobre fenmenos de difraccin, demuestran la naturaleza
ondulatoria de la luz. Fresnel explica tambin la polarizacin de la
luz considerando que las ondas luminosas son transversales y por
fin, en 1850, Foucault demuestra que la velocidad de la luz es
menos en el agua que en el aire.Sin duda, Huygens estaba en lo
cierto, pero haban transcurrido casi doscientos aos.Persista, sin
embargo, una importante contradiccin: la necesidad de suponer la
existencia del ter lumnico, que deba ser slido para transmitir las
ondas transversales de la luz y enormemente rgido para hacerlo a
tan gran velocidad, y al mismo tiempo debera ser muy tenue para no
oponer resistencia alguna al movimiento de los cuerpos.Esta
dificultad fue definitivamente superada cuando Maxwell, en el ao
1865, demuestra que la luz es una onda electromagntica que se
propaga en el vaco sin necesidad de un soporte material a 3 108 m
s-1 como el resto de las ondas electromagnticas. Por ltimo, en
1887, H. Hertz gener ondas electromagnticas que ahora conocemos
como ondas de radio.La Teora Ondulatoria de la luz parece triunfar
definitivamente y es aceptada universalmente.
5. DOBLE NATURALEZA DE LA LUZAunque a finales del siglo XIX se
establece definitivamente el carcter ondulatorio de la luz, el
estudio de su naturaleza no est terminado, es incompleto.En el ao
1900, Lenard observ que cuando un haz de luz de frecuencia adecuada
incide sobre algunas superficies metlicas se expulsan electrones.
Este hecho se conoce como efecto fotoelctrico (que ya hablamos de l
en el trabajo sobre el modelo atmico de Bohr).En el ao 1905,
Einstein explica el efecto fotoelctrico suponiendo que la energa de
las ondas luminosas se concentra en pequeos paquetes, cuantos de
energa, llamados fotones que segn Planck tienen una energa.Pero
este hecho significa, en cierta medida, una vuelta a la Teora
Corpuscular y desde luego no puede explicarse otorgando a la luz
una naturaleza ondulatoria. A principios del siglo XX vuelve a
plantearse el viejo dilema: la luz es de naturaleza ondulatorio o
corpuscular?Parece fuera de toda duda que ciertos fenmenos, los que
implican una interaccin entre la luz y la materia (efecto
fotoelctrico y otro fenmeno denominado efecto Compton), slo pueden
explicarse mediante una teora corpuscular (cuntica) de la luz; por
otra parte, los fenmenos de interferencia, difraccin, polarizacin,
etc. slo pueden describirse aceptando la Teora Ondulatoria.Hay que
admitir, por tanto, que la luz se comporta como si tuviese una
doble naturaleza, aunque en ningn fenmeno concreto manifieste
simultneamente este carcter dual. En un fenmeno dado se comporta
bien como onda, bien como partcula.Veamos un ejemplo mucho ms
sencillo: una moneda est formada por la cara y la cruz. Aunque en
un momento determinado slo podamos ver una de las dos, una no
existe sin la otra; se necesitan las dos para entender lo que es
una moneda. Lo mismo le pasa a la luz con su naturaleza corpuscular
y ondulatoria; ambas, siendo complementarias, forman lo que
conocemos como luz.El carcter dual de la luz no es un hecho
extraordinario. La mente humana, para entender las cosas, necesita
una visin intuitiva de los hechos; le es imprescindible un modelo.
Pues bien, tratndose de la luz, y no slo para ella, un modelo nico
no es suficiente para interpretar su comportamiento total y
necesitamos dos modelos absolutamente diferentes.
6. PROPAGACIN RECTILNEA DE LA LUZLa luz es una onda
electromagntica; sin embargo, muchos aspectos de las ondas
luminosas se pueden comprender sin considerar su carcter
electromagntico. En efecto la luz se propaga segn lneas rectas a
las que llamamos rayos. Un rayo es una lnea imaginaria dibujada en
la direccin en la cual se propagan las ondas que es perpendicular a
los vectores que definen el campo elctrico y el campo magntico de
la onda.La ptica geomtrica estudia el comportamiento macroscpico de
la luz aplicando el concepto de rayo.La luz viaja en lnea recta con
velocidad constante en un medio homogneo e istropo: las faros de un
coche, el haz luminoso de una linterna en la noche, los eclipses de
Sol y de Luna o la formacin de sombras nos indican que la luz se
propaga en lnea recta. A estas lneas rectas las llamamos rayos.Otro
ejemplo de la propagacin rectilnea de la luz es la formacin de
sombras y penumbras.Los eclipses de Sol y de Luna son otro ejemplo
de la propagacin rectilnea de la luz.En el eclipse de Sol, al
entrar una regin de la Tierra en el cono de sombras producido por
la Luna cuando est entre el Sol y la Tierra, se produce un eclipse
total de Sol. Para las regiones de la Tierra que se encuentran en
la zona de penumbra, el eclipse de Sol es parcial.Si la Tierra se
interpone entre el Sol y la Luna se produce el eclipse de Luna, que
ser total si la Luna est ntegramente en el cono de sombra
proyectado por la Tierra, y parcial cuando slo parte de la Luna se
encuentre en la zona de sombra.
7. NDICE DE REFRACCINLa velocidad de la luz no es siempre la
misma, ya que depende del medio transparente en el que se
propague.Se denomina ndice de refraccin absoluto de un medio
material a la relacin entre la velocidad de la luz en el vaco c y
la velocidad en dicho medio v:n = c/vComo la velocidad de la luz es
menor en cualquier medio material que en el vaco, los ndices de
refraccin absolutos son mayores que la unidad.El ndice de refraccin
depende de las caractersticas fsicas de cada medio y determina
algunas propiedades de los materiales transparentes; por ejemplo,
los diamantes tienen un brillo intenso porque su ndice de refraccin
es muy elevado.Si un medio tiene un ndice de refraccin absoluto
mayor que otro, se dice que es ms refringente que l.En ndice de
refraccin de un material depende de la longitud de onda de la luz
utilizada.En el vaco, la velocidad de la luz es la misma para las
distintas longitudes de onda, pero no ocurre lo mismo cuando la luz
se propaga en un medio material. En efecto, en cualquier otro medio
la velocidad de la luz depende de la longitud de onda. Cuando la
luz se propaga en un medio material la frecuencia no vara, se
mantiene constante. La frecuencia de una onda luminosa viene
determinada por su fuente y no es afectada por el medio. Por tanto,
como v = , si cambia la velocidad es porque vara la longitud de
onda.Si hallamos 0 a la longitud de onda de una radiacin luminosa
en el vaco, c a su velocidad y a su frecuencia, se cumple:0 = c/ Al
propagarse en un medio material a la velocidad v, como su
frecuencia no vara, la longitud de onda ser: = v/ = c/n = 0/n ; n =
0/y como n > 1, la longitud de onda ser menor que en el
vaco.Para comparar la velocidad de la luz en dos medios distintos,
cuyos ndices de refraccin absolutos son n1 y n2, se emplea el ndice
de refraccin relativo n2,1 del medio 2 respecto al 1.Los ndices de
refraccin en dos medios distintos son inversamente proporcionales a
las velocidades de la luz en esos medios y a las longitudes de
onda.Cuando un medio tiene mayor ndice de refraccin absoluto que
otro, la luz se propaga en ese medio a menor velocidad y su
longitud de onda es ms pequea.8. REFLEXIN DE LA LUZCuando una onda
incide sobre la superficie de separacin de dos medios transparentes
distintos, una parte se refleja, vuelve al mismo medio en que se
propagaba, y otra parte pasa al segundo medio, en donde se
transmite y se absorbe parcialmente. La luz, que es una onda, se
comporta de igual forma. La luz que se refleja cambia de direccin
pero conserva la misma velocidad. La luz que se propaga en el
segundo medio cambia de direccin y de velocidad: es la refraccin de
la luz.
Consideremos un foco luminoso y uno de los rayos emitidos por el
foco que incide sobre una superficie metlica pulida. El ngulo i,
que forma el rayo incidente con la normal N a la superficie en el
punto de incidencia, se denomina ngulo de incidencia, y el ngulo r,
que forma el rayo reflejado con la normal, se llama ngulo de
reflexin.Experimentalmente se comprueban las Leyes de Snell de la
reflexin: El rayo incidente, la normal y el rayo reflejado se
encuentran en el mismo plano. El ngulo de incidencia es igual al
ngulo de reflexin.La reflexin de la luz sobre una superficie
pulida, un espejo, se denomina reflexin regular o especular. Si la
superficie es irregular, no pulida (rugosa), tambin se produce la
reflexin, pero los rayos reflejados no tienen una direccin nica,
salen en todas direcciones; es lo que se conoce como reflexin
difusa o irregular. Las superficies no pulidas tienen
irregularidades orientadas en diferentes direcciones y difunden la
luz incidente, lo que hace posible que la superficie se vea.Todos
los objetos se ven gracias a la luz, ya sea por la luz emitida por
el objeto o por la luz reflejada en l.
(a = reflexin regular y b = reflexin difusa)9. REFRACCIN DE LA
LUZLa luz se propaga en lnea recta y con velocidad constante en un
medio homogneo e istropo, pero cuando llega a la superficie de
separacin de dos medios transparentes, una parte penetra en el
segundo medio cambiando de direccin y de velocidad de
propagacin.Este cambio de direccin de propagacin de un rayo de luz,
cuando pasa oblicuamente de un medio a otro, se conoce como
refraccin. La deformacin aparente de los objetos sumergidos en
agua, como es en este caso el lapicero, o la profundidad
aparentemente menor a la que se encuentran los peces dentro de un
ro, se explican mediante la refraccin de la luz.
Supongamos un foco luminoso puntual situado en un medio con
ndice de refraccin absoluto n1, en el que la velocidad de la luz es
v1 y uno de los rayos emitidos por el foco incide en la superficie
de otro medio de ndice de refraccin n2, en el que la velocidad de
la luz es v2.El ngulo i que forma el rayo incidente con la normal N
se denomina ngulo de incidencia, y el ngulo r que forma el rayo
refractado con la normal se llama ngulo de refraccin.
Willebrond Snell comprob experimentalmente las leyes de la
refraccin: El rayo incidente, la normal y el rayo refractado se
encuentran en el mismo plano. La relacin entre el seno del ngulo de
incidencia y el seno del ngulo de refraccin es una constante
caracterstica de los medios.Esta constante es igual al ndice de
refraccin del segundo medio respecto al primero o, tambin, al
cociente entre las velocidades de la luz en el primer medio y en el
segundo:
Si la luz pasa de un medio a otro de mayor ndice de refraccin
absoluto (ms refringente) el rayo refractado se acerca a la normal.
En efecto, segn la ecuacin anterior, se cumple:n2 > n1 ; sen i
> sen r ; i > rEn caso contrario, cuando la luz pasa de un
medio a otro menos refringente, el rayo refractado se aleja de la
normal:n2 < n1 ; sen i < sen r ; i < rLa Segunda Ley de
Snell de la refraccin puede escribirse tambin as:n1 sen i = n2 sen
res decir, el producto del ndice de refraccin absoluto de un medio
por el seno del ngulo que forma en dicho medio el rayo de luz con
la normal es una constante, llamada invariante de refraccin. Por
tanto, un incremento en el ndice de refraccin implica una
disminucin en el ngulo, y viceversa.La refraccin atmosfrica es la
responsable de las ilusiones pticas denominadas espejismos, debido
al desigual ndice de refraccin de las capas de aire cuando se
encuentran a diferente temperatura. Cuando el aire en contacto con
el suelo se calienta, la luz de los objetos distantes se refracta
hacia arriba y aparecen invertidos. En cambio, durante la noche se
invierte esta circunstancia, la capa de aire fro est junto al suelo
y las luces del automvil (por ejemplo) aparecen como destellos
luminosos en el aire. Quizs la refraccin atmosfrica sirva para
explicar algunos casos de ovnis.
Para sintetizar lo anterior, aadir que vemos los objetos que nos
rodean porque la luz rebota en ellos. Si miramos algo dentro del
agua, como por ejemplo un remo o un lapicero parece que est torcido
o doblado. Ocurre de tal manera, porque como hemos explicado con
anterioridad la luz se desva, o se refracta cuando pasa del aire al
agua.La refraccin es un fenmeno relacionado con la transmisin de
las ondas, incluyendo la luz. Los rayos luminosos siguen una
trayectoria rectilnea, pero cuando pasan de un medio de transporte
a otro, se refracta (se quiebran). Esto es debido a que la luz
tiene distinta velocidad segn la densidad del material que
atraviesa. Por ejemplo, cuando la luz pasa del aire al agua su
velocidad se reduce, esto hace que la luz se refracte, exceptuando
cuando incide en perpendicular a la superficie.Para un observador
situado en un medio menos denso, como el aire, un objeto situado en
un medio ms denso parece estar ms cerca de la superficie de
separacin de lo que est en realidad. Este trabajo es un ejemplo
habitual donde podemos observar la refraccin de la luz en el agua,
como se muestra en la siguiente figura:
El rayo DB procedente del punto D del objeto se desva alejndose
de la normal, hacia el punto A. por ello, el objeto parece situado
en C, donde la lnea ABC intersecta una lnea perpendicular a la
superficie del agua y que pasa por D.En la figura siguiente, se
muestra la trayectoria de un rayo de luz que atraviesa varios
medios con superficies de separacin paralelas. El ndice de
refraccin del agua es ms bajo que el del vidrio. Como el ndice de
refraccin del primer y el ltimo medio es el mismo, el rayo emerge
en direccin paralela al rayo incidente AB, pero resulta
desplazado.
Cuando se pone un lpiz en el agua, la punta del lpiz aparece
inclinada. Luego, si se hace lo mismo pero colocando el lpiz en una
solucin de agua azucarada, la punta del mismo aparecer ms
inclinada. Este es el fenmeno de la refraccin de la luz. Los
refractmetros son instrumentos de medicin, en los que ste fenmeno
de la refraccin de la luz se pone en prctica. Ellos se basan en el
principio por el cual, cuando aumenta la densidad de una sustancia
(por ejemplo: cuando se disuelve el azcar en el agua), el ndice de
refraccin aumenta proporcionalmente.
10. CONCLUSINEn la trayectoria desde el lpiz hasta nuestros
ojos, un rayo de luz pasa por diferentes medios transparentes.
Primero desde el agua al vidrio del vaso y luego del vidrio al
aire. Al cambiar de medio es cuando se produce la desviacin, a este
fenmeno fsico lo denominamos refraccin.Nos ha parecido un tema de
gran inters ya que en nuestra vida cotidiana no sabemos el por qu
suceden las cosas de tal manera, como es el caso de la refraccin e
incluso de la reflexin, cuando nos vemos reflejados en un espejo
sin pensarlo, simplemente tenemos en cuenta que es una fuente, el
cual nos hace ver caractersticas de nuestra cara y cuerpo.En este
trabajo hemos visto las utilidades que se le dan a la refraccin,
sus leyes y aplicaciones. Con ello, hemos aclarado que la refraccin
nos puede presentar imgenes que no son reales y que la refraccin
atmosfrica es la culpable de muchas de las ilusiones pticas que
desarrollamos y que son denominadas espejismos.
11. BIBLIOGRAFA Y WEBGRAFAPEA SAINZ, A. y GARCA PREZ, J.A.
(2007). Fsica. Editorial Mc. Graw
Hillhttp://rabfis15.uco.es/lvct/tutorial/21/Reflexion%20y%20Refracci%F3n.htmlhttp://es.wikipedia.org/wiki/Refracci%C3%B3nhttp://fisicaliceo6.blogspot.com.es/2010/06/refraccion-de-la-luz_14.htmlhttp://sanchezaguirrecarla.blogspot.com
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